Краткое содержание видео
Введение
Видео посвящено физике элементарных частиц, а точнее - Стандартной модели физики частиц и некоторым аспектам за ее пределами.
Лектор использует шкалу длин, чтобы проиллюстрировать различные масштабы, в которых изучаются физические явления.
Стандартная модель охватывает масштабы от атомов (10^-10 м) до кварков (10^-18 м).Фундаментальные взаимодействия
В Стандартной модели существует четыре фундаментальных взаимодействия:
Гравитационное
Электромагнитное
Сильное
Слабое
Гравитационное взаимодействие - самое слабое из четырех, но оно играет важную роль на больших расстояниях.
Электромагнитное взаимодействие отвечает за электричество и магнетизм, а также является доминирующим силой на атомных и молекулярных масштабах.
Сильное взаимодействие связывает кварки внутри протонов и нейтронов.
Слабое взаимодействие отвечает за некоторые виды радиоактивного распада.Законы, управляющие физикой элементарных частиц
Два основных закона, лежащих в основе Стандартной модели:
Специальная теория относительности Эйнштейна
Квантовая механика
Специальная теория относительности устанавливает ограничения на скорость света, движение объектов и связь между пространством и временем.
Квантовая механика описывает поведение частиц на атомном и субатомном уровнях, вводя такие понятия, как волновая функция, квантование и вероятность.Характеристики элементарных частиц
Элементарные частицы характеризуются:
Массой (может быть нулевой или ненулевой)
Спином (целым или полуцелым числом)
Зарядом (положительным, отрицательным или нулевым)
Квантовыми числами (такими как цвет и аромат)
Фермионы (частицы с полуцелым спином) подчиняются принципу Паули, который запрещает двум фермионам находиться в одном квантовом состоянии.
Бозоны (частицы с целым спином) не подчиняются принципу Паули и могут находиться в одном квантовом состоянии.Составные частицы
Протоны и нейтроны, составляющие ядра атомов, сами состоят из кварков.
Существует шесть типов кварков: верхний, нижний, очарованный, странный, истинный и прелестный.
Кварки удерживаются вместе сильным взаимодействием, переносимым глюонами.Поколения частиц
В Стандартной модели существуют три поколения элементарных частиц.
Частицы каждого поколения имеют одинаковые квантовые числа, но отличаются массой.
Мы окружены материей, состоящей в основном из частиц первого поколения (электроны, u- и d-кварки).Стабильные частицы
Немногие элементарные частицы стабильны, то есть не распадаются на другие частицы.
К стабильным частицам относятся фотон, протон, электрон и нейтрино всех трех поколений.Квантовая теория поля
Стандартная модель использует квантовую теорию поля для описания взаимодействия элементарных частиц.
В квантовой теории поля каждой элементарной частице соответствует поле, которое является математической функцией пространства-времени.
Динамика частиц описывается уравнениями поля, которые получаются из принципа наименьшего действия.Заключение
Стандартная модель - это очень успешная теория, которая объясняет широкий спектр физических явлений.
Однако она не является полной теорией и не объясняет некоторые явления, такие как темная материя и темная энергия.
Физики продолжают работать над поиском более полной теории, которая объединит Стандартную модель с общей теорией относительности Эйнштейна.Примечание:
Это лишь краткий обзор основных моментов, представленных в видео.
Для более подробного изучения физики элементарных частиц рекомендуется обратиться к учебникам или другим образовательным ресурсам.Расшифровка видео
0:00
и занимаюсь По большей части физика элементарных частиц
0:10
на сегодняшняя лекция та же посвящена физики частиц более точно стандартной
0:16
модели частиц и некоторым аспектом за её
0:21
пределом давайте начнем вот с такой картинки
0:27
которая на которой нарисован масштаб длин алгоритмическом масштабе линейка
0:36
интервал который более-менее изучен человеком эксперименталь
0:42
характерная масштаб характерный для человека это масштаб в метрах соответственно
0:50
характерные для человека масштаб это значит порядка одного метра если мы
0:56
пойдем в большие масштабы это будет физика макро мира соответственно там будет физика звезд физика галактик и
1:06
Вселенная соответственно у Вас была По этому поводу лекция Сергеевич Горбунова
1:13
и сегодня мы с вами пойдем в область микромира и здесь ближайшие масштабы связанные с размером атома это 10 минут
1:23
10 от метра если идти еще на более глубокие масштабы это ядро порядка 10
1:29
минут 15 метра одного ферме если идти если Вспомнить о том что ядро состоит из
1:35
протонов и ну клонов из протонов нейтронов сами они состоят из кварков
1:44
и соответственно масштаб также 15 метра и самый маленький масштаб который изучен
1:49
на сегодня в эксперименте это где-то 10 минут 18 метра и этот масштаб изучается
1:55
в ускорительных экспериментах соответственно мы с вами сегодня будем говорить о физике микромира
2:02
и фундаментальных взаимодействиях эти фундаментальные взаимодействия Как вы знаете их четыре основных взаимодействия
2:09
это гравитационная электромагнитная сильная и слабая Вот на этом на этом слайде будет Дана некоторая короткая
2:15
характеристика этих взаимодействий гравитационное взаимодействие это взаимодействие между гравитирующими
2:22
телами это универсальное взаимодействие в том смысле что оно существует между всеми телами между всеми частицами у
2:28
которых которые обладают энергией Ну или мельтийском случае который обладает массой соответственно это взаимодействие
2:34
типа притяжения потенциал взаимодействия электрическом
2:39
режиме ведет единица на р и это дальнодействие дальнодействующее взаимодействие на действующим
2:46
взаимодействием понимается взаимодействие которые потенциал которых спадает как единица на Р или ещё
2:53
соответственно Это основное взаимодействие которое играет роль на самых больших расстояниях Но вот физики
2:59
микромира это взаимодействие играет незначительную и в дальнейшем мы почти о нем говорить
3:05
не будем дальше электромагнитные взаимодействие электромагнитные взаимодействия существует между частичками обладающими зарядами
3:12
Это основное взаимодействие которое встречается у нас с вами в обыденной жизни соответственно Наряду с
3:19
гравитационным конечном мире эти взаимодействия обычные
3:25
экранируются потому что все вокруг электронитрально а дальше идет сильный взаимодействие постельного взаимодействием понимаю
3:32
взаимодействие между взаимодействия ядерной Да между
3:37
частичками которые составляют ядра то есть между протоном и нейтроном и на
3:43
более фундаментальном уровне это взаимодействие между частицами которые составляют сами протоны нейтроны то есть
3:49
между парком соответственно это взаимодействие краткодействующее оно обрывается на очень маленьких
3:56
расстояниях и здесь известно кварки Свободном состоянии наблюдаются и это
4:02
явление носит название немножко попозже поговорим и наконец есть слабое взаимодействие
4:08
типичный пример процессы за который ответственны Славы взаимодействие это процессы быта распада соответственно это
4:15
тоже кратко действующий силы радиусы действия порядка 10 минут 16 см
4:20
и тоже о них Поговорим позже надо отметить что все эти взаимодействия
4:26
играют очень важную роль для жизни человека Ну гравитационная электромагнитная Понятно сильные
4:32
взаимодействие взаимодействия которые держат ядра собирают ядра между собой и слабые
4:39
взаимодействие Несмотря на то что кажется слабым и так сказать вроде бы это распад не очень важная вещь на самом
4:44
деле как известно термоядерный процессы которые происходят в солнце и которые
4:50
греют которые греют нашу Землю там слабые взаимодействие играет Играет одну из основных ролей
4:58
Давайте двигаться дальше соответственно Какими какими законами
5:05
управляется физика элементарных частиц эти законы базируются на двух основных теориях это специальная теория
5:12
относительности и квантовая механика здесь приведены основные характеристики этих двух теорий значит соответственно
5:19
Если говорить о специальной теории относительности то среди основных постулатов это максимальная скорость с
5:27
помощью которой может распространяться информации или взаимодействия это скорость света дальше
5:34
важную роль здесь играют на социальная система отсчета и переход между системами отсчета дается преобразованиями Лоренца в отличие от
5:41
преобразования Галилея и здесь некоторые величины являются вариантами
5:47
вот такие как инвариант составленный из
5:52
интервалов времен и интервалов и расстояние между различными точками
5:59
соответственно здесь важную роль будет играть причинность в отличие от теории в которых есть дальнодействие между
6:06
разными событиями события точнее могут быть в данном случае причинно связаны могут быть
6:12
причины не связанными это в данном случае очень важно роль играет дальше
6:17
соответственно координаты координаты и время объединяются в координаты
6:23
четырехмерные и соответственно составляют так называемые пространство также энергии импульс также объединяются
6:29
в так называемые 4 импульс у которого есть четыре компоненты нулевой компонент
6:34
эта энергия нет
6:39
нулевая компонента мышка можно нулевая компонента это соответственно энергия
6:45
поделена скорость света и пространственные компоненты это импульсы энергии импульсы движущиеся частицы
6:52
связаны вот таким вот формулами с с ее массой и скоростью и соответственно
6:58
масса импульсы скорости также связаны между собой таким соотношением которое
7:04
часто называется дисперсионным соотношением соответственно если частица без массовая то вот этого члена с массы
7:11
не будет И тогда энергия будет она просто произведение импульса на скорости второй фундаментальный
7:19
фундаментальная теория которые должны подчиняться Элементарные частицы это квантовая
7:24
механика основное отличие квантомеханика от классической состоит в том что
7:30
состоит в описании в классической механики Мы привыкли описывать состояние частиц координатами и скоростями
7:39
с точкой в данном случае это производная по времени вместо этого в пантовой механике
7:46
вводится понятие волновой функции и вводится понятие и водятся вероятность интерпретация нельзя однозначно сказать
7:54
в какой точке находится волновая функция но волновая В какой точке находится частица но можно определить вероятность
8:01
нахождения частицы в том или ином интервале и эта вероятность дается квадратом модуля луновой функции все от
8:09
x в квадрате это есть вероятность найти частицу в интервале от x + dx соответственно
8:15
важным аспектом является дуализм волна и частиц волны в классической механики и
8:23
частицы они суть одно механики и частоты
8:29
и волновые вектора волн они связаны с энергией импульсами такими соотношениями
8:35
е равно аж это постоянная планка это тоже ah на волновой вектор который
8:44
связан длиной волны соответственно дальше в квантовой механики физические величины заменяются на так называемые
8:52
операторы И вообще значение физических величин часто квантуется значение физических величин получаются как
8:57
собственные значения этих самых операторов если поставить задачу на собственные значения
9:03
как в прямо в линейной алгебре соответственно примером здесь являются уровни энергии в атоме
9:11
водородавая функция динамика луновой функции и как следствие динамики системы подчиняется уравнению Шрёдингера которая
9:18
указана написано ниже производная по времени Лунная функция
9:23
определяется волновой функции на которой подействовали так называемого оператором
9:30
или оператором
9:38
очень полезно физико-частиц является естественной системой единиц вот у нас
9:44
есть две фундаментальные константы это скорость света и постоянная планка обычно удобно использовать постоянную
9:50
планку зеленую на 2 пи аж бар соответственно естественной системе единиц постоянная планка и скорость
9:56
света кладут с равными единицы и в этом случае у вас остается единственный
10:02
размерный параметр этой Энергия и физики частиц удобно измерять все энергетические параметры в электронный
10:10
вольтах или даже более удобно Электрон вольтах что есть примерно 1,6 джоуля
10:15
соответственно в этих единицах масса Протона будет измеряться в единицах энергии и фактически совпадает
10:22
с энергией покоя протона и масса протонов в частности Это примерно один
10:27
и соответственно расстояние и время также будет связано с единицами энергии
10:33
обратной пропорциональностью с некоторыми переводными коэффициентами как указано здесь в частности один
10:39
сантиметр это 5 на 10-13 обратное
10:46
дальше значит перейдем к характеристикам которые присущи элементарным частицам
10:52
значит но основными характеристиками являются в частности масса здесь различают два случая случаи без
11:02
массовых частиц случае массивных частиц различаются они по той причине что для безмассовых частиц нет системы которая
11:09
частица покоится частицы всегда будет двигаться со скоростью света а для массивных частиц такая система
11:15
покоя существует дальше Вторая важная характеристика частиц это спин или
11:22
собственный угловой момент классической механики есть угловой момент такая векторная величина которая есть
11:28
векторное произведение радиус вектора на импульс соответственно
11:34
механики в голове момент тоже векторная величина понимается максимальное значение
11:42
проекции одной из компонент до того момента на произвольно выбранную
11:49
ось И в пантовой механики эти три проекции три компоненты углового момента
11:55
одновременно из морей неизмеримы обычно выбирается какая-то одна из проекций скажем проекции на ось Z и под спину
12:03
спину называется максимальное значение этой проекции которое может принимать механики значение спинок или вообще
12:10
момента понтуется в том смысле что
12:16
твой момент может принимать целые целые значения в единицах постоянной платы
12:21
размерность то же самое что постоянная планка и здесь частицы различаются по
12:27
своим значениям это главный момент например Столярная частица это частица у
12:32
которой спин равен нулю соответственно примером здесь из фундаментальных частиц является Бозон Хиггса А из составных
12:38
частиц довольно много частиц у которых главный момент равен нулю в частности пионы различные
12:46
бессмысленными зонами имеют спин равный нулю дальше частица с угловым моментом 1/2 постоянная планка или просто 1/2 в
12:54
естественной системе единиц это примерно так частицы являются
12:59
Электрон Протон вообще довольно много частиц имеет пин 1/2
13:06
частиц со спины 1/2 есть две компоненты волновой функции одна
13:12
соответствует проекции спины Z вверх другая
13:17
соответствует проекции спины соответственно плюс минус 1/2 и наконец
13:24
есть векторные частицы у которых спин равен единички единицы постоянная планка
13:30
примерами таких частиц являются фотоны массивные зоны и здесь есть разница
13:36
между случаем массивных и без массовых частиц в частности для массивных частиц
13:42
проекции спины на самом деле три плюс минус единичка и 0 А для
13:48
безмассовых частиц у них нет системы покоя у них на самом деле можно рассматривать проекцию
13:55
направление движения и тут есть только два возможные проекции плюс или минусы единичка для фотонов и это проект сейчас
14:03
называется вот важным моментом является связь с
14:09
Пина со статистикой частицы с целым спину называется бозонами частицы с полуцелом спину называется фермерами и
14:16
различие состоит в том что фермиона подчиняются принципу пауэлы квантовой механики в одном состоянии может
14:23
находиться не больше одного фермеона А бозонов может находиться сколько угодно
14:28
Ну и также у частиц есть много других квантовых чисел таких как электрический заряд бревенное число электронное число
14:35
цвет и различные дискретные симметрии о них мы поговорим чуть позже соответственно вообще
14:43
известно несколько сотен элементарных частиц есть такой обзор который выходит регулярно
14:51
раз два года называется и выпускает его Это довольно толстая книжка в которой
14:58
перечислены большое количество частиц и перечислены все их свойства Ну там
15:03
сейчас не только физика частиц там еще и астрофизика и космология элементы технологии приведены И несмотря на такой
15:12
большое количество частиц не все из них Элементарные на самом деле на сегодняшний день элементарными считается
15:17
довольно незначительное количество частиц и они представлены Вот в этой табличке
15:23
здесь они могут быть классифицированы следующим образом здесь есть
15:31
части Частицы которые фермионы и К ним относятся кварки и лептоны есть Частицы
15:38
которые бозоны к ним относятся калибровочные базоны и также Бозон Хиггса значит если кратко провести
15:45
характеристику вот здесь отмечено в каждой клеточке название соответствующей частицы и их массы заряды спины то есть
15:54
понтовые числа это правда не все квантовые числа которые могут быть у данных частиц вот что касается кварков
16:02
их шесть типов здесь по-русски они называются верхние нижние очарованные страны истинные прелестные по-английски
16:08
это Strange это странный Кларк чарм А вот
16:15
Верхняя истинные прелестные они называются в англоязычной литературе обычно топы
16:21
соответственно это кварки дальше другой набор фермионов это лептоны здесь тоже
16:31
есть так называемый три поколения электрон и он италлиптон а также
16:36
соответствующий им нитрина электронная мионы таунитрина значит ну вот видно что
16:42
кварки они все заряжены кварки имеют заряд плюс 2/3 это у CT и нижние кварки
16:49
имеют заряд -1/3 под нижними кварками понимается парки дсб соответственно
16:57
лептонов заряды минус единичка у электронами он итал а нейтрины нейтрино
17:03
они являются нейтральными вот
17:09
на сегодняшний день измеренной массы всех кварков с разной
17:15
степенью точности всех электронов заряженных электронамионой А вот что
17:21
касается нейтрино то их масса на сегодняшний день неизмеренная а известны только ограничений
17:27
вот что касается бозонов то есть два Типа бозонов одни Типа одни бозоны это
17:33
векторные бозоны то есть частицы со спинным единичка это Глен
17:39
Фотон Глен это переносчик сильных взаимодействий Фотон переносчик электромагнитных взаимодействий и
17:45
массивные дубовые зоны которые отвечают за слабые взаимодействия Ну и также вазон Хиггса относительно недавно
17:51
открытый о нем мы отдельно тоже поговорим также
17:57
помимо помимо этого списка частиц которые на
18:03
сегодняшний день считаются элементарными у каждой частицы здесь существуют античастица почти у каждой потому что у
18:10
некоторых частиц частицы совпадают какими являются Фотон ли он Бозон Хиггса
18:15
и нейтральный вазон у них частицы совпадает сами частицы античастицы называется такая частица у которой те же
18:23
самые квантовые числа смысле масса спин А вот заряда противоположного знака
18:32
вот если посмотреть внимательно которые есть стандартные модели иногда
18:39
их называют полями материи электронные парки материи Видно что они
18:45
объединяю их можно разгруппировать в три так называемые поколения каждая
18:52
вертикальная колоночка это соответственно поколение Вот это первое поколение дальше идет второе поколение И
18:58
третье поколение частицы всех трех поколений они по своим
19:04
квантовым числам тождественны отличаются только массами и в стандартной модели соответственно
19:10
есть три поколения в первом поколении у и d-кварки электрон
19:16
и электронный нейтрино Ну и второй и третье поколение соответственно отличаются тем что они немножко более
19:21
тяжелые А вот окружающие нас материя состоит в основном из частиц первого поколения Если говорить о
19:28
ядрах они состоят из протонов и нейтронов которые сами по себе состоят из кварков первого поколения То есть у
19:36
эдварков атомы всегда включают еще Электрон если кто частицу первого
19:41
поколения Ну если Вспомнить о том что Нейтрон у нас распадается
19:46
то после распада получается еще или электронная Анти нейтрино соответственно тоже
19:53
частицы первого поколения поэтому все что вокруг нас состоит из частиц первого
19:58
поколения все остальные Частицы которые составляют 2 и третье поколение они более тяжелые являются в основном
20:04
нестабильными за исключением которые неизвестны стабильно они или нет
20:10
Что касается вообще стабильных частиц которые на сегодня известны стандартной модели то их не так уж и много это Фотон
20:18
Протон электрон и соответственно все три типа нейтрино
20:24
античастицы для этих частиц также являются стабильными частицами
20:29
как описывается частицы в так называемый стандартной модели этот
20:37
набор этот набор частиц которые я перечислил Он носит название стандартная
20:42
модель элементарных частиц описывается что описать взаимодействие
20:48
частицы стандартной модели как я уже говорил понадобились две теории специальная теория относительности и квантовая механика так вот объединение
20:55
этих теорий носит название квантовой теории поля А это довольно сложная теория и Она довольно долго и тяжело
21:03
строилась если вспомнить историю то специальная теория относительности и
21:09
квантовая механика были построены относительно короткое время чтобы построить теорию которая обвиняла бы эти
21:15
две теории специальности квантовую механику потребовалось несколько десятков лет И на самом деле это работа
21:23
еще до конца не закончена поскольку квантовая теория гравитации так до сих
21:28
пор не построены Вот в этой теории каждый элементарная частица сопоставляется
21:34
поле поле это математический объект функция точки пространства-времени
21:40
соответственно каждый элементарной частицы в квантовой теории поля сопоставляется вот такой объект под
21:46
названием поля и в панторе более того фантай механики это объект становится оператором Ну потом которые есть квант
21:55
электромагнитного взаимодействия ему сопоставляется в квантовой теории поля
22:00
обычно электромагнитное поле сектор потенциал соответственно
22:06
этот Вектор потенциал У него четыре компоненты меню продвигает значение от 0 до 3 0 1 2
22:15
3 соответственно поставляется так называемая скалярное
22:21
поле которое одной компонентное в данном случае она обозначена электронную частицы со спинным 1/2
22:28
сопоставляется так называемая спинорное поле которое обозначены и у этого
22:35
спиннерного поля тоже четыре компонента также как между прочим фотонного поля но
22:40
разница между всеми этими полями в том как они преобразуются под действием преобразования
22:46
каждая из них преобразуется своим особым образом в зависимости от того какой спин несет соответственно Элементарные
22:52
частицы вот дальше в классической механике динамика
22:59
описывается уравнениями движения и часто и уравнения движения в теоретической механике выводятся из так называемого
23:05
принципа наименьшего действия значит вот здесь представлена
23:10
действие которое есть интеграл от функции Лагранжа которая которая в
23:17
качестве примера может быть для случая гармонического осциллятора для обычного маятника записано как разница между
23:24
кинетическими и потенциальными энергиями тут стоит кинетическая энергия 1/2 м кусочков в квадрате минус потенциальная
23:31
энергия это соответственно частота колебаний данного гармонического осциллятора
23:37
соответственно уравнение движения которые получаются
23:43
они вот такие и решением этих уравнений движения есть обычные синусоидальные колебания
23:52
Все делается очень похожим образом вы вводите соответственно уравнение
23:57
движения с помощью такого же принципа наименьшего действия вот в качестве примера здесь выбрано
24:03
скалярное поле как функция координат и
24:09
координат и времени соответственно действие в данном случае
24:15
будет тоже интеграл по времени но поскольку у
24:21
нас есть Полевая переменная то по сути координат у нас теперь бесконечно много потому что роль обобщенных координат у
24:29
нас играют Поля Поля то есть значение полей в каждой точке пространства времени это есть обобщенная координаты
24:36
поскольку точек пространство времени континум бесконечно много то соответственно мы имеем такую классическую систему с бесконечно
24:43
большим числом степеней свободы и в этом как бы заключается сложность работы с квантовой теории поля потому что
24:48
квантовая теория Поля это теория которая должна описывать
24:54
взаимодействие системы с бесконечно большим числом степеней свободы соответственно
24:59
внизу написан пример уравнение поля которое получается из вот такого
25:04
действия это просто уравнение движения на данное поле соответственно есть здесь
25:12
часть в качестве примера приведена часть которая линейно зависит от поля и
25:19
эта часть она очень похожа на уравнение гармонического осциллятора в том смысле
25:26
что решение этой линейной части если выкинуть нелинейный кусочек который
25:33
пропорционален решение здесь будут обычные плоские
25:40
это наверное на следующем слайде Да значит вот это уравнение которое нужно решить в теории поля и соответственно
25:47
это операторное уравнение потому что квантовая теория в квантовой теории любым любые наблюдаемые у нас становится
25:53
операторами и в этом сложность в этом заключается сложность решение этого
25:59
уравнения соответственно лямбда здесь это Константа взаимодействия Да если лямбда положить равные нулю то у
26:06
вас получается линейное уравнение И решение линейного уравнения оно очень похоже на решение для гармонического
26:12
осциллятора соответственно это будут синусоидальные колебания только они еще будут распространяться в данном случае
26:17
это обычные плоские волны соответственно квантовой механики плоские волны из-за
26:24
корпускулярного дуализма фактически становится частицами те решения которые описываются которые
26:32
возникают решения свободного уравнения они описывают распространение частиц соответственно если
26:38
лямбда положить то эти волны частицы начинают
26:43
взаимодействовать Если Вы столкнете две волны или равно 0 то эти волны пройдут друг через друга потому что для
26:50
линейного уравнения сумма двух решений снова есть решение А вот если
26:55
взаимодействие то это уже будет не так сумма двух решений
27:02
не будет уже решением и соответственно у вас будет происходить некоторая рассеяние
27:07
В общем случае значит это уравнение поля решите представляется возможным и обычно
27:15
применяют так называемую теорию возмущения а именно если Константа связи Если она маленькая то можно попробовать
27:23
решить уравнение по теории возмущения в качестве первого приближения берется решение свободного уравнения то есть
27:28
плоские волны и в качестве последующих приближений
27:35
взаимодействующие взаимодействующие слагаемое рассматривается как возмущение Ну и методом после движения находится
27:40
решение соответственно это общая схема нахождения решения квантовых уравнений в
27:47
квантовой теории поля схематично вот
27:53
на языке решение уравнения это неудобно изучать удобно
28:00
рассматривать решение уравнений поля на языке так называемых диаграмм феймена
28:05
свое время предложил удобный графический способ представлять такие решения
28:10
квантовых уравнений а именно они представляются Вот такими диаграммками в которых есть линии различных типов
28:17
соответственно тут есть линии внешние есть линии внутренние и есть вершины
28:23
соответственно внешним линиям сопоставляются начальные или конечные
28:29
частицы или волны из корпускулярного дуализма волны и частицы в данном случае
28:34
это одно и то же дальше внутренним линиям сопоставляются
28:39
так называемые виртуальные частицы виртуальные частицы это частицы у которых не выполняется
28:45
соотношение между импульсом и координатой которая выполняется для
28:51
свободных частиц то есть было на предыдущем слайде е квадрат
28:59
равняется
29:07
если положить скорость это дисперсионное соотношение оно не
29:13
выполняется виртуальных частиц для частиц которые бегут внутри диаграммы
29:19
Вот и следующий компоненты являются следующие
29:25
компоненты диаграмм фемина являются вершины в данном случае в той теории в которой
29:32
мы для примера который мы для примера сейчас рассматриваем а это теория в
29:37
которой взаимодействия Давайте еще раз на нее посмотрим эта теория в которой взаимодействие
29:45
в действии выглядит как лямда умножить на поле в четвертой
29:50
степени значит каждая степень поля дает линию выходящую линию из вершины
29:57
взаимодействия таким образом взаимодействие устроено так вершины взаимодействий входит четыре поля Или
30:04
другими словами может рассеяться две волны в две другие волны или одна волна может распасть на три другие волны
30:10
соответственно любое решение квантовых уравнения может представлено суммой Вот таких вот
30:17
диаграмм феймана но польза заключается в том что
30:23
для того чтобы написать решение некоторое выражение чтобы написать это выражение правило диктуют что надо
30:31
сопоставить каждый каждому элементу диаграммы внутри определенные выражение
30:37
внешние линии свое выражение вершине тоже свое выражение Соответственно по этим правилам вы можете написать ответ
30:44
для разрешение квантового уравнения по теории возмущения вот здесь внизу приведена диаграмма феймена
30:51
в пример рассеяния 2 в 2 то есть две волны две волны частицы сталкиваются
30:58
образуются две другие волны в данном случае например можем считать что время у нас по горизонтальной оси бежит слева
31:06
направо соответственно сталкиваются Две частицы с импульсами P1 P2 рождаются две
31:11
другие частицы с импульсом p1p2 У вас есть две вершины взаимодействия
31:16
каждая вершина ей сопоставляется Константа связи и поэтому данный вклад
31:22
будет давать данная диаграмма будет давать вклад во второй порядок теории возмущений то есть
31:28
ответ будет пропорционален большой от лямбда в квадрате где лямблии
31:33
решение полное решение будет найдено Если вы просуммируете результаты всех
31:39
возможных диаграмм каждое новая вершинка Это следующий порядок возмущений То есть если работать
31:46
возмущения вклады должны быть более подавлены
31:52
Вот теперь что же квантовая теория поля может вычислить
31:57
в классической физике У вас есть как я уже говорил координаты
32:03
и скорости XX с точкой в случае скажем материальной точки дальше у вас есть
32:09
некоторые уравнение движения и знаете уравнение Вы можете определить не знаю
32:15
начальное состояние частицы Вы можете определить состояние частицы то есть ее
32:20
координату и скорость в любой другой момент времени и это определить можно
32:25
вполне однозначно то есть классической физике У вас есть определенная динамика а физике такую динамики определенные нет
32:33
из-за вероятности интерпретации физики предсказать можно только вероятности но
32:38
не сам Конечный результат но вот здесь привезены примеры различных квантовых процессов вот возьмем например распад
32:44
какой-то нестабильной частицы скажем вот вот это закон радиоактивного распада
32:52
скажем есть у вас некоторые образец некоторого количества частицы 0 и
32:57
по этому закону этот закон выражает сколько частиц у вас остается после того как Пройдет какое-то
33:05
время если начальный момент времени у вас было значит частиц соответственно
33:11
это время жизни частицы можно связать с
33:16
периодом полураспада это частицы если внимательно
33:21
приглядеться к этому выражению то величина обратная времени жизни Она еще называется шириной она есть ни что иное
33:29
как вероятность распада единицу времени и квантовая теория Поля не может сказать когда распадется та или иная конкретная
33:37
частица нестабильная она может предсказать только вероятность распада частицы то есть время жизни или ширину
33:44
вероятность раскладов в единицу времени значит случае когда у вас есть несколько
33:50
каналов распада скажем есть такая частичка пион отрицательно заряженный пион это частица Может распадаться в
33:57
мион лептон именные антинитрина и соответственно
34:03
парциальная ширина или ширина этого распада то есть относительная вероятность единицу времени
34:08
может быть вычислены в рамках квантовой теории также пион может распадаться по другому
34:14
каналу распада например в электронный электронный антинитрина соответственно вероятность этого распада единицу
34:21
времени это какая-то другое выражение гамма 2 соответственно Если вы хотите посчитать
34:27
полную вероятность распада то вы должны сложить вероятности распада по всем возможным каналам распада
34:34
потому что полная вероятность это сумма вероятностей распасаться по какому-то из каналов расклада Поэтому в случае когда
34:41
у Вас например есть только два канала распада полная ширина распада эта сумма двух Ширин соответственно время жизни
34:48
частицы будет определяться как обратная ширина от
34:53
обратной полная ширина вот еще важная характеристика это сечение обычно это характеристика
35:01
применяется чтобы характеризовать Россией частиц сечение это вероятность
35:07
рассеянная рассеется в единицу времени разделенные на единичные падающий поток
35:13
величина сечения опять же вероятностные характеристика Она имеет размерность
35:18
площади соответственно
35:25
значит что Что можно сделать с помощью квантовой теории поле квантовая теория поля может дать возможность посчитать
35:33
так называемую амплитуду вероятности собственно вот эти диаграммы фильм Она о
35:38
которых мы с вами говорили они позволяют вычислить амплитуду вероятности которые
35:43
есть аналог волновой функции по сути вероятность будет квадрат модуля амплитуда вероятности поэтому схема
35:50
вычислений квантовой теории поля выглядит следующим образом вы вычисляете некоторые выражения с помощью географии
35:55
вычисляется амплитуду вероятности интересующую вас процесса будь то распад или сечение России и дальше вычисляете
36:03
вероятность возводя амплитуду в квадрат
36:08
вот возвращаясь к элементарным частицам и характеристикам взаимодействия Давайте
36:14
пройдемся по основным взаимодействиям вот есть электромагнитные взаимодействия соответственно
36:19
это взаимодействие фотоновного Поля с заряженными частицами
36:26
заряженные частицы я напоминаю у нас Какие частицы это все кларки заряженные
36:31
это все заряженные электроны электрон и Тау а также среди векторных бозонов
36:38
заряженными являются болевые зоны все эти частицы взаимодействуют электромагнитным образом и это
36:43
взаимодействие устроено а вот тот член взаимодействия который
36:50
будет стоять в уравнении будет давать плату уравнение поля он имеет вид
36:57
произведения поля на ток на электромагнитный ток и
37:03
здесь стоит Константа связи роль Константа связи в данном случае играет заряд электрона соответственно можно
37:08
вывести правила феймана для этой теории это теория называется квантовой электродинамика это по сути первое
37:15
построенная квантовая теория поля на которой развивалась квантовая теория
37:22
поля квантовые электродинамика соответственно правила именно здесь такие вот этими линиями со стрелочками
37:27
обозначают обычно фермионы в данном случае в качестве примера электроны а волнистые линии обозначаются фотон
37:36
и соответственно данная диаграммка она описывает процесс рассеяния электрона на
37:42
электроне То есть другими словами Два электрона сталкиваются друг с другом обмениваются
37:48
виртуальным фотоном И тем самым рассеиваются друг на друге вот таким
37:53
образом описывается взаимодействие электромагнитные взаимодействия в квантовой теории поля соответственно
38:01
фотон в данном случае играет роль переносчика взаимодействия это частица у
38:06
которой масса равна нулю и можно вычислить используя вот эту амплитуду
38:11
рассеяния можно вычислить можно вычислить
38:17
потенциал статический потенциал взаимодействия двух электронов и Оказывается он окажется
38:25
соответственно потенциалом электродинамики е квадрат на 4pr и
38:31
соответственно здесь стоит Константа связи по которой идет разложение теория возмущений это Константа есть
38:40
постоянная тонкая структуры е квадрат на 4пи она равна 1 137
38:48
но мы чуть попозже они поговорим это действительно Малый параметр и поэтому теория возмущения очень хорошо работает
38:53
в кванторе электродинамике здесь следует отметить что заряд он квантуется все
38:59
наблюдаемые Частицы которые у нас есть они имеют заряд равный целому числу
39:04
единицах заряда электрона А если говорить о частицах которые не
39:11
наблюдаемых смысле что не Свободном состоянии наблюдаем это кварки то у них заряд равен 1/3 или 2/3 от тоже заряда
39:19
электрона соответственно
39:24
Давайте двигаться дальше это перейдем к слабым взаимодействиям слабые
39:31
взаимодействия в них участвуют кварки или птоны если посмотреть на нашу
39:37
табличку то слабых взаимодействиях участвуют все на самом деле вот эти фермионы все поля материи
39:46
те Частицы которые ответственны слова взаимодействия
39:51
которые являются это бозоны
39:59
они являются массивными и массы этих дублевые заданов они очень большие массы
40:05
порядка 100 гигаэлектрон Вольт если вы построите
40:10
эффективный потенциал взаимодействия между частицами
40:17
которые слабо взаимодействует между собой то этот потенциал будет выглядеть вот таким вот образом этот потенциал
40:24
будет помимо фактора единицы на R содержать себе такую экспоненциальный фактор и в степени масса заболеваний
40:31
умножить на этот фактор экспоненциальный он очень сильно
40:37
обрезает силу взаимодействия между частицами взаимодействий Именно поэтому
40:44
частицы Именно поэтому слово взаимодействия является кратко действующими соответственно
40:51
этот фактор берется Как раз таки из-за того что переносчик взаимодействия является массивной частицей с массой
40:58
порядка 100 гигов 100 ГФ Это соответствует расстояние в сто раз
41:05
меньше размера Протона То есть это 10 минус 17 метра и поэтому на таких расстояниях на
41:14
расстоянии больше чем на 17 метров потенциал взаимодействие очень сильно давит специально
41:21
взаимодействий является параметр аналогичный такому же параметру
41:28
в электродинамике только вот здесь квадрат пропущен gons должна стоять на
41:36
4п и он порядка 1/30 равен и кажется что это
41:42
величина больше чем на 137 в электромагнитных взаимодействиях но повторюсь слабость слабых взаимодействий
41:49
она не в том что константы связи маленькая на самом деле она больше чем электромагнитная связи а в том что они
41:55
кратко действующие в том что потенциал взаимодействия он является очень
42:02
переносчики взаимодействий которые массивные болевые забазоны они нестабильные и очень быстро распадаются со временем время жизни их порядка 10
42:10
минут 25 секунды есть частицы в стандартной модели которые столько слабым образом взаимодействуют и это
42:16
нейтрино именно поэтому нейтрино так сложно зарегистрировать потому что они участвуют только в слабых
42:22
взаимодействиях в более широкой картинке электромагнитные
42:28
и слабые взаимодействия они объединяются есть такая общая электро слабая теория теория построенная вайнгом глашу и Салам
42:36
электро слабая теория слабых и электромагнитных взаимодействий
42:45
теперь перейдем к сильным взаимодействиям на самом деле Частицы которые взаимодействуют по
42:51
сильным взаимодействиям составляют большую часть элементарных частиц
42:58
так называемый зоопарк сильно взаимодействующих частиц и в свое время исторические где-то годах 50-60-х эти
43:07
частицы открывались с завидной регулярностью и в какой-то момент стало так много что потребовалось
43:14
некоторые систематизация этих частиц и в какой-то момент стало очевидно что
43:20
частицы сильно взаимодействующие которые открывались на ускорителях А сильно
43:25
выводящие частицы называются они составные и в качестве гипотезы было
43:33
предложено что они состоят из составляющих которые назвали кларками
43:38
кварки это частицы 1/2 и разделяются на
43:44
две категории большие это барионы частицы состоящие из трех кварков ими
43:51
зоны частицы состоящие из Кларк и антикварка соответственно бурионом приписывается бурёное число единичка
43:58
приписывается бревенное число 0 бареное число специальное квантовое число
44:03
которое сохраняется и пока не было не обнаружено ни одного процесса в котором
44:09
число не сохранялось соответственно всем не все Частицы которые не
44:15
взаимодействуют сильно бревенное число приписывается примером бариона является протоны не
44:21
тронут соответственно Протон состоит из двух верхних парков у главу Кларка и 1Д
44:26
кварк а Нейтрон состоит соответственно из одного упарка и двух дворков
44:31
необычным свойством кварков в дополнении
44:40
Ну потому что я уже сказал [музыка] необычное свойство следующее оказывается
44:47
что существует состояние состоящее из трех парков одинакового
44:53
типа вот эта частица которая носит название Дельта и забары Дельта плюс это
44:58
частицы состоит из трех у парков и это частица имеет
45:05
то есть состояние это состояние оно устроено
45:12
следующим образом есть три одинаковых парка которые все вместе смотрят имеют спин настоящий в одном направлении и на
45:20
самом деле можно показать что они все находятся в так называемые симметричный в этом
45:29
смысле все эти три кварка находится в одном состоянии
45:35
И это была проблема изначально этой теории потому что фермионы Согласно
45:41
принципу паули не могут находиться в одном состоянии и Выход из этой проблемы был предложен такой что у парков есть
45:49
дополнительная квантовое число которое назвали цветом значит соответственно в
45:54
качестве примера здесь я написал синий красный и зеленый цвета но под цветом
45:59
понимается конечно квантовое число и значит никакой не цвет то оптическом
46:07
смысле этого слова соответственно Все кларки каждый тип парка еще
46:13
дополнительно имеет свой цвет и недавно помимо
46:20
барионов и миллионов которые есть кварки состоящие которые
46:27
антикварка Были обнаружены экзотические а именно состояние состоящий из двух
46:33
кварков и двух антикварков это кварки а также Пентаклей состояние состоящее из 4
46:39
кварков и одного антипарка это сейчас очень активно развивающиеся направлением потому что регулярно открывают новые
46:46
экзотические адроны А их свойства очень плохо изучены а иногда на них можно смотреть как на
46:53
молекулярное состояние а Дронов а иногда может быть какой-то стороны на них нужно
47:00
смотреть как на настоящие образования кварков и антикварков сильно взаимодействующих частиц вот
47:09
экспериментально чтобы экспериментально выяснить классную структуру адронов потребовалось
47:15
произвести ряд экспериментов на коллайдерах и
47:22
это были эксперименты вообще [музыка]
47:28
Как нам следует изучать физику Микромир как обычно изучаем физику Микромир Мы
47:34
обычно берем микроскоп берем какой-то
47:39
то что мы хотим изучить освещаем каким-то светом излучением и дальше
47:46
микроскоп регистрируем этот свет но у такой стратегии есть недостаток а именно
47:53
если вы облучаете изучаемый объект светом с какой-то длиной волны лямбда то
48:00
вы не можете разрешить расстояние меньше чем длина волны соответственно все то же самое работает
48:08
физики частиц если вспомнить про корпоскулярно-волновую дуализм а именно
48:14
если вы хотите изучить все меньше и меньше размеры то
48:19
вам надо брать волны все меньше и меньшее длинного волны и в соответствии с корпускулярным дуализмом Это означает
48:26
что вам нужно брать частицы все больше большим и большим импульсом чтобы зайти
48:32
в Микромир вам нужно сталкивать частицы с очень большими
48:38
импульсами ну и соответственно энергия так вот структура структура Протона была
48:44
выяснена в экспериментах глубоко в России это было сделано стенфорде флаге
48:50
в 1968 году рассеивались электроны на протонах
48:56
соответственно электронное разгонялись здесь привезена схема это ускорительного
49:03
комплекса Это был линейный ускоритель длиной 3 км электронный разгонялись били помещение И решение состояло из
49:12
включался протоны и результатом эксперимента было то что вот если Дрон
49:18
был без структурной частицей то высокоэнергичный Электрон который много легче этого наклона
49:27
прошил бы эту мишень и вылетел бы ну может быть небольшими отклонениями но
49:33
результаты эксперимента по глубокому растению показывали что электроны которые рассеиваются на протонах они
49:41
отскакивают в том числе на очень большие углы по сути эти результаты очень похожи на результаты опыта Резерфорда когда он
49:49
открыл ядро в России в Альфа частиц на атомах соответственно И здесь тоже
49:57
электроны которые рассеивали на наклонах они отскакивали на большие углы с
50:03
некоторыми нулевой Вполне себе вероятностью что указывало на то что клоны
50:08
нейтроны и протоны имеют внутри себя некоторые составля ющие которые могут говорится дать пинка чтобы этот Электрон
50:15
мог отскочить назад с хорошим
50:21
вот тем самым была подтверждена по сути
50:27
кварковая структура адронов и современная теория сильных взаимодействий она носит название
50:32
квантовой электродинамики хромадинамика Прошу прощения значит здесь есть собственно кварки и есть
50:40
переносчики взаимодействия это есть глионы глионы это по сути аналоги фотона только в квантовой хромодинамике значит
50:48
в отличие от фотонов Леонов целых восемь восемь штук потому что кварки цветные и
50:56
соответственно переносчики взаимодействия должны переносить цвет между между кларками в том числе с разными
51:03
цветами Вот и здесь на рисунке привели правило стрелочками линиями со стрелочками
51:10
обозначены линии соответствующие кваркам А вот такой волнистой линией обозначены линии Леонов соответственно вот есть
51:17
такая вершинка взаимодействия очень похожа на то что имеет место в квантовой электродинамики но в квантовых динамике
51:25
и глионы между собой имеют самодействовать то есть 2 миллиона могут превратиться в один два миллиона могут
51:32
превратиться в два а это более сложная теория если пытаться
51:37
воспроизвести неретивистский потенциал то между кларками то он оказывается
51:43
имеет весьма нетривиальную структуру а именно на малых расстояниях этот
51:48
потенциал ведет себя как единица на Р напоминает кулонский потенциал А вот на больших расстояниях этот потенциал ведет
51:54
себя линейно соответственно Константа связи которые возникают
52:04
это Альфа обозначена альфа-с это аналог постоянной тонкой структуры
52:10
электродинамики Но в отличие от квантовой электродинамики это Константа является большое является величиной
52:17
сравнимость единицы и поэтому теорию возмущений при низких энергиях для квантовых динамики не работает это одна
52:24
из проблем различных произведений различных вычислений
52:29
особенно при низких энергиях
52:36
вот если опять таки обратиться на к этому потенциалу взаимодействия а именно
52:41
к тому факту что энергия растет Если вы увеличиваете расстояние между кварками то в какой-то момент можно понять что
52:48
если вы увели кваркены такие большие расстояния что энергия стала больше чем
52:54
две массы кварков то может произойти рождение
53:03
парк на большие расстояния между ними накопилось очень большая Энергия и вот
53:09
эта часть между ними может распасться таким образом что рождается пара кварк
53:15
антикварг И на самом деле кварки не существует Свободном состоянии это явление носит название
53:21
они не существуют именно вот за счет этого эффекта за счет того что энергия взаимодействия растет Если вы
53:28
начинаете один кварк уводить с помощью ударения какого-то от всех остальных пар
53:35
и Им выгодно родить пару антикварг и остаться либо в виде бариона либо в виде
53:49
так было вот Есть еще одна тонкость которая
53:56
появляется в квантовой теории поля оказывается что Константа связи о которых мы говорили они сами по себе
54:04
тоже зависит от расстояния или от энергии от характерной энергии процессов
54:10
которые вы рассматриваете Дело в том что если рассмотреть в качестве примера
54:15
Электрон но ли это Электрон то за счет принципе
54:24
неопределенности у вас какое-то время может не сохраняться Энергия и может рождаться
54:30
пары заряженных частиц пара частица частиц
54:35
вокруг этого самого электрона вероятность рождения такой пары
54:43
и вероятность рождения этой пары тем больше чем больше соответственно электромагнитное поле и в этом смысле
54:52
Электрон заряженный он как бы выглядит как окруженный таким полем
54:58
постоянно рождающихся и уничтожающихся пар частиц античастиц на языке диаграмм
55:05
феймена это выглядит как вот такая диаграммка в которой У вас есть
55:10
Фотон то есть электромагнитное поле которое рождает пару частицы античастица
55:16
которая затем аннигилирует и снова превращается Фотон это называется да И
55:23
эти пары за счет того что положительные заряды притягиваются к отрицательным эти
55:29
пары они поляризуются не выстраиваются таким образом что успевают устраиваться
55:34
таким образом что их положительные заряды больше притягиваются к центральному заряду отрицательные заряда
55:41
наоборот отталкиваются тем самым возникает некоторые поляризация носит название поляризация вакуума в
55:48
этом смысле Если вы смотрите на Электрон который окружен облаком постоянно
55:54
возникающих исчезающих пар Если вы смотрите на этот Электрон
56:00
издалека вы видите один заряд А если вы полетели поближе скажем вот сюда да то
56:05
вы видите совсем другое облако чем вы видели на больших расстояниях и в
56:12
этом смысле эффективно вы видите совершенно другой заряд совершенно может немножечко отличающийся заряд чем заряд
56:20
который был на бесконечности на бесконечно большом расстоянии соответственно
56:26
а из-за этого Константа связи зависит от того На каких расстояниях вы сидите
56:34
от вашего центрального электрона так вот в электродинамике Константа связи
56:39
оказывается что растет Если вы уменьшаете увеличиваете энергию или
56:44
уменьшаете расстояние Если вы приблизитесь к электрону то Константа связи
56:52
постоянная тонкая структуры она начинает расти подрастать немножко это очень
56:57
небольшой эффект скажем если при нулевых энергиях или при очень
57:04
больших расстояниях это Константа равняется одной 137 то при энергиях
57:10
порядка массы бозона то есть 91г или соответственно расстояние типа 10 минус
57:15
17 метра это Константа становится равной порядка 1 127 Совсем немножко она
57:22
изменяется вот а очень похожий эффект имеет место в
57:27
квантовой хромодинамике только здесь эффект другой из-за наличия глионов
57:33
оказывается что будет антиит экранировка то есть глионы которые вот тут
57:40
виртуальным образом появляются и исчезают они делают так что заряд усиливается
57:45
и на больших расстояниях заряд выглядит больше чем тот заряд который бы вы
57:50
видели если бы полетели к кварку поближе соответственно
57:56
постоянная сильных взаимодействий она растет с расстоянием
58:01
и наоборот уменьшается Если вы идете на очень маленькие расстояния на очень большие энергии Вот на этом графике
58:07
представлена зависимость этой постоянной сильных взаимодействий от масштаба
58:14
энергии который связан с масштабом расстоянии видно что при очень больших
58:21
энергиях это константу становится маленькой Так что возмущений маленьких энергий становится
58:29
большой а при энергиях меньше одного то есть при расстояниях сравнимых с размером Протона теперь возмущение
58:36
вообще не работает поэтому там это так называемый режим сильные связи и это
58:42
одна из проблем научиться считать теориях которых
58:52
вот дальше в стандарты модели есть определенные симметрии
58:59
вообще симметрия связана с законом сохранения а именно каждой симметрии
59:05
значит сопоставляется некоторый закон сохранения как известно Если у вас есть
59:11
Например трансляционная симметрия симметрия относительно сдвигов в пространстве то этой симметрии Если система
59:17
удовлетворяет такой симметрии это симметрия приводит к закону сохранения импульсов Если у вас есть
59:24
трансляционные варианты по времени то соответствующий закон сохранения это
59:30
закон сохранения энергии Если у вас есть симметрия относительно вращений то соответствующим закону сохранения будет
59:36
сохраняющийся угловой момент помимо таких симметрии которые знакомы с
59:44
классической физики в квантовой теории есть дискретные симметрии
59:50
дискретная симметрия является почетность Вы можете сделать преобразование
59:58
пространственного отражения отражение всех пространственных координат И
1:00:03
если система не поменяла свои свойства то оно
1:00:13
Вот и возникает вопрос симметричный ли взаимодействие стандартные модели
1:00:18
относительно преобразований пространственного отражения так вот оказывается что электромагнитные и
1:00:23
сильные взаимодействия они инвариантно относительно преобразования почетности А вот слабых взаимодействия они невероятно
1:00:30
относительно пространственные почетности и здесь примером является собственно
1:00:39
право поляризованный и лево поляризованные фермионы если взять например нейтрино
1:00:46
то предположим оно летит в каком-то направлении
1:00:52
Да спиральность оказывается что все
1:00:59
нейтрино они являются левыми в том смысле что спин их направлен против направления
1:01:08
импульса такие частицы носит название
1:01:25
не существует по крайней мере они знают
1:01:32
являются правом Если у вас есть Анти нитрина
1:01:37
то спину ее направлен по направлению импульса такая частичка называется право
1:01:44
поляризованная Вот и слабые взаимодействия тем самым они нарушают почетность Потому что при
1:01:52
преобразованиях пространственного отражения у вас
1:01:58
значение импульса меняется а значение спины не меняется соответственно при
1:02:04
преобразованиях пространственного отражения у вас были реализованы частицы должна переходить влево поляризованные
1:02:10
частицы У нас есть в стандартной модели А вот
1:02:16
право нейтрино аналога у нас нет поэтому стандартная модель она как бы явно
1:02:21
нарушает почетность Зато есть еще одна дискретная
1:02:27
симметрия это четность это симметрия связанная с заменой всех частиц и
1:02:34
античастиц на античастицы соответственно нейтриновые
1:02:40
антипротон и четность будет симметрии если
1:02:46
вероятность того или иного процесса она не меняется если все частицы заметьте
1:02:52
частицы стандартной модели четность также является симметрией для сильных
1:02:59
взаимодействий электромагнитных взаимодействий А вот для слабых по тому же самому примеру
1:03:07
слабые взаимодействия не являются симметричными относительно преобразования с отчетности если сделаете преобразование с отчетности над
1:03:15
левым нейтрином Вы должны получить левое антинетрина в стандартной модели нет
1:03:22
какое-то время думали что комбинированное почетность То есть если
1:03:28
вы сделаете последовательно преобразование почетности пространственного отражения и четности то есть замена частиц на частицы Вот
1:03:36
какое-то время думали что комбинированное почетность является симметрией стандартной модели истинный
1:03:42
симметрии природы но потом оказалось что за почетность также нарушается стандартные модели
1:03:48
вот также числами примерно сохраняющими числами являются электронные числа здесь
1:03:55
вводится электронные числа для каждого поколения электронная электронное число электронов
1:04:01
приписывается электронное число единичка электронному приписывается электронное число
1:04:07
электронное число единичка соответственно электронные числа имеют противоположные
1:04:13
знаки Вот про бурёное число Я уже сказал соответственно бревнам приписывается
1:04:19
бревенное число единица всем остальным частицам бревны число 0
1:04:28
так Ну да собственно я здесь про это уже все сказал Ну вот пример процессов в
1:04:35
котором нарушается цпчетность Это пример диаграммки точнее в которой
1:04:41
за почетность нарушается это диаграмма которая приводит к осцилляциям так называемого ками зона нейтрального
1:04:48
камня зона в его античастицу антиказу к 0 в антика ноль тут есть такая диаграмма
1:04:54
здесь нарисованы кварки в начальном состоянии с и анти-д это кварки которые
1:05:01
образуют антико-ноль А в конечном состоянии сварки которые образуют к0 и эта
1:05:08
диаграмма она обеспечивает переход осцилляции между частицей и античастицей
1:05:13
и оказывается что это диаграмма приводит в стандартной модели за счет существования некоторого параметра к
1:05:20
процессам с несохранением вот пропаренное число Я сказал что никто
1:05:28
никогда не видел что бревенное число нарушается и с этим связано собственно
1:05:33
то что Протон до сих пор является стабильной частицей никто никогда не
1:05:38
видел распад Протона Однако стандартная модель предсказывает процессы с нарушением бревного числа так называемый
1:05:45
инстананные процессы и
1:05:50
Хотя вероятность таких процессов не нулевой тем не менее она очень сильно подавлена при невысоких энергиях
1:05:58
вероятность таких процессов порядка е в степени минус 160 минус степени 160
1:06:05
соответственно это очень маленькая вероятность и
1:06:10
очень маловероятно что мы такие процессы сможем обнаружить ближайшее время Но
1:06:16
Однако эти процессы могут быть процессы с нарушением числа могут быть не подавленными при очень высоких
1:06:22
температурах в том числе в ранней вселенной и на этом построены некоторые
1:06:28
интересные механизмы в том числе для генерации
1:06:33
вот на сегодняшний день большим ускорителем является Большой адронный коллайдер в
1:06:40
церне длина соответственно ускорителя 27 км там сталкиваются протоны на встречных
1:06:48
пучках последнее столкновение были при энергиях
1:06:53
13 Может быть уже 14f и соответственно изучаемые расстояния порядка 10 -18 метров
1:07:00
Вот и последнее большое открытие это собственно Бозон Хиггса
1:07:06
это очень важная частица она была предсказана довольно давно собственно с
1:07:12
рождения единой слабой теории модели Clash of line и это теория это частица
1:07:20
нужна для того чтобы дать всем частицам всем остальным частицам стандартной
1:07:25
модели за исключением может быть нейтрино масса это частица обладает необычным точнее
1:07:32
поле бозоны обладает очень необычным свойством оказывается что в основном состоянии это поле
1:07:45
отлично то есть везде в пространстве значения
1:07:52
этого поля Отлично от нуля А все остальные частицы они движутся в этом поле и за счет взаимодействия с базовым
1:07:59
Хиггса приобретают массы масса этих частиц оказывается пропорциональными вакуумному среднему
1:08:06
вазону Хиггса вот этот параметр V это вакуумная среднее поле Хиггса и здесь же
1:08:12
это константы пропорциональности соответственно массы всех частиц оказывается пропорционально но единственной константе вакуумным среднем
1:08:18
базонных X и вот эти картинках двух приведены результаты эксперимента cms по измерению собственно
1:08:25
этих констант пропорциональностей между массами частиц стандартной модели и вакуумным средним я для примера привел
1:08:32
картинки с разницей примерно в 10 лет левая картинка это картинка 2014 года а
1:08:40
вот это по-моему прошлого года соответственно здесь по горизонтальной оси отложенная масса частицы по
1:08:47
вертикальной соответствующей Константа связи Ну и приведены значения для
1:08:53
нескольких частиц
1:09:01
соответственно вертикальными линиями указаны ошибки с которыми были проведены
1:09:06
измерения видно что эти измеренные значения и 10 лет назад
1:09:14
укладывались на хорошую прямую сегодня они укладываются просто на идеальную
1:09:20
прямую указывая на хорошую работу механизмы то что хорошо описывает
1:09:34
вот стандартной модели всего 19 параметров всего 19 параметров объясняют
1:09:40
огромное количество наблюдений по сути всю
1:09:45
современную физику Значит все возможные времена жизни
1:09:50
частиц всевозможные сечения растения к этим 19 параметрам относятся константы
1:09:56
все константы связи трех типов взаимодействий электромагнитного слабого и сильного
1:10:03
гравитационные взаимодействия в данном случае мы не говорим потому что физики частиц гравитационные взаимодействия как
1:10:09
я уже говорил они довольно маленькую роль играют незначительные дальше есть масса кварков шесть масс
1:10:17
кварков три массы нитрина стандартной модели считаются без
1:10:23
массовыми частицами поэтому это масса электрона миллиона и тауэлектрона дальше есть такой параметр постоянная ферме
1:10:31
параметр связан с массой [музыка] И еще есть некоторые три параметра это
1:10:38
так называемые углы смешивания тт3 это углы смешивания между в
1:10:46
кварковом секторе Дело в том что массовое состояние кварков не совпадают с теми состояниями
1:10:54
которые взаимодействуют с калибровочными вазонами а именно с заболеванием
1:11:05
Вот в этой табличке массовые состояния скажем
1:11:11
нижних Да и верхних кварков они не совпадают с теми состояниями которые
1:11:17
взаимодействуют определенным образом с дублевой зоны поэтому истинный массовые состояния являются
1:11:24
смесью суперпозиции скажем состоянии
1:11:34
и Поэтому возникает еще некоторые параметры
1:11:40
и в этом секторе возникает параметр
1:11:45
которая обозначается здесь Дельта это ЦП нарушающая фаза которая приводится по
1:11:51
нарушению стандартной модели есть еще один параметр здесь он обозначен как тэта у сидит Это кхд он Возникает
1:12:01
из теоретических соображений в принципе может быть написан стандартная модель но на него очень сильное ограничение и
1:12:10
пока никаких физических эффектов от этого параметра не наблюдается так вот
1:12:16
стандартная модель проверена с очень хорошей точностью есть довольно большое количество наблюдаемых Я уже сказал это
1:12:22
времена жизни частиц различные сечения многие наблюдаемые измеренные
1:12:28
экспериментально с очень высокой точностью и проверенной теоретической
1:12:33
теоретически тоже с очень высокой точностью здесь в качестве примера привезен аномальный магнитный момент
1:12:39
электрона Вот это величина которая отличает магнитный момент электрона от
1:12:45
его значения это величина которая считается квантовой
1:12:55
электродинамики поправками
1:13:00
теоретическое значение верхнее и внизу приведено экспериментальное значение видно что Они совпадают с очень большой
1:13:07
точностью после соответственно
1:13:12
квантовая теория поля и стандартная модель в этом смысле являются очень хорошо проверенными
1:13:19
конфитюре поля является хорошо проверенным методом который работает стандартная модель является хорошей
1:13:26
моделью для получения предсказаний Вот но стандартная модель не может являться
1:13:31
полной полной теорией Потому что есть ряд определенных вопросов на которые она
1:13:38
ответить не может Один из таких вопросов является проблемой физики нейтрино Дело
1:13:43
в том что стандартные модели нейтрино без массовые Однако
1:13:50
эксперимент обнаруживает так называемые переходы между различными переходы между электронным есть три типа
1:13:57
нитрина электронными оказывается что один тип нейтрино в другой при распространении может переходить эти
1:14:04
переходы носят название осцилляции и так оказывается что нитрит ассоциации
1:14:11
возможны Если только тогда когда
1:14:19
существование [музыка]
1:14:30
измерение параметров измерение изучения нейтринных осцилляций позволяет не
1:14:36
позволяет вывести абсолютное значение масс нейтрино но позволяет
1:14:41
позволяет определить разницу квадратов масс между различными состояниями
1:14:47
нейтрина Так оказывается что астрация происходит как раз таки за счет
1:14:52
того что массовое состояние нитрина не совпадают с состоянием нейтрино которые
1:14:58
взаимодействуют с дубль соответственно так называемый
1:15:04
между ними есть определенные смешивания и эксперименты по изучению витринных
1:15:10
ассоциаций позволяют вывести разность квадратов масс две у нас есть три типа
1:15:15
нейтрино поэтому есть две разных квадратов масс есть три массовых состояния которые
1:15:22
обозначаются ни один два или три и эти разности квадратов масса оказывается
1:15:28
очень небольшими между первым и вторым состоянием разных квадратов порядка Электрон вольт в квадрате А между вторым
1:15:36
и третьим порядка 10 минут 3 в квадрате а что касается абсолютно назначения
1:15:41
массы нейтрино то существует только ограничение как я уже говорил и
1:15:47
ограничения в частности на массу электронного нейтрино составляет порядка одного электрона
1:15:53
вот в соответствии с этим стандартная модель вот эту часть она не описывает она не
1:16:00
описывает часть связанную с нитритными осцилляциями и поэтому здесь возникают новые параметры это массы
1:16:07
трех типов нейтрино и параметры смешивания смешивание
1:16:12
между массами состояниями нейтрино и
1:16:18
состояние нитрина электронными
1:16:25
здесь возникает вопрос во-первых как эти параметры появились в теории Да во-первых как масса возникли
1:16:32
нейтрино тут существуют различные механизмы
1:16:38
бывает бывает модели в которых вы добавляете в теорию помимо левого
1:16:44
нейтрина я вам уже говорил что в стандартной модели есть левая нейтрино а правого нейтрино в стандартной модели
1:16:50
нету но можно ввести в стандартную модель правой нейтрино и тогда можно
1:16:56
нитрина дать так называемую дырковскую массу обычную массу а можно левое правое
1:17:02
нитрина не вводить и тогда соответствующая нейтрино будет называться мейрановским нейтрино и будет
1:17:09
иметь майоранскую массу соответственно вот этот вопрос еще открыт Какое нейтрино дирковское имя
1:17:14
отличие тут в том что для майнского нейтрино частицы совпадает с античастицей фактически а для
1:17:20
зеркальского это не так частицы это соответственно разные степени Свободы
1:17:26
Ну и как я уже сказал не понятен Механизм возникновения массы нейтрино и
1:17:32
непонятно почему не трина такие маленькие по сравнению такие легкие по сравнению с остальными частицами
1:17:39
стандартной модели остальными массивными частицами стандартными вот другие проблемы стандартной модели
1:17:46
приходят из космологических астрофических различных наблюдений Как вы знаете из предыдущих
1:17:53
лекций на самом деле наша Вселенная в нашей Вселенной обычная материя составляет так
1:18:01
незначительную часть она составляет всего лишь пять процентов от всей энергии во Вселенной А основную
1:18:08
часть составляют две неизвестные на сегодняшний компоненты одна из них это темная Энергия и она составляет большую
1:18:15
часть Порядка 70 процентов плотности энергии и Эта та часть которая ответственна за ускоренное расширение
1:18:22
Вселенной сегодня и вторая часть большая это темная
1:18:27
материя это некоторые новые частицы новая гарантирующая
1:18:35
гарантирующая материя предполагается что это некоторые новые Частицы которые которых нет стандартной
1:18:41
модели Вот и наконец еще есть одна проблема
1:18:48
которую стандартная модель не решает это проблема связанная с тем что мы с вами
1:18:53
вокруг видим мир состоящий из протонов нейтронов и электронов но не видим
1:19:00
соответствующих им античастиц Да Несмотря на то что частицы античастицы имеют очень похожие свойства за
1:19:07
исключением своих зарядов них одинаковые массы одинаковые времена жизни но противоположные заряды несмотря на эту
1:19:15
симметрию окружающих нас мир состоит в основном из частиц античастиц практически не видно
1:19:22
соответственно если Изучить
1:19:27
космологическими уравнениями и посмотреть как это асимметрия асимметрия между
1:19:34
частицами античастицами будет вести себя Если мы пойдем назад по времени то оказывается на том этапе времени когда
1:19:41
существовало Кларк Миллионная плазма когда а дроны были разбиты на кварки
1:19:48
антикварки глионы то это асимметрия имела вот такой вот
1:19:55
очень маленький масштаб то есть разница между числом частицы античастий то есть кварков и антикварков по отношению к
1:20:03
сумме составлял величину порядка 10 минут 9 это что означает это означает на каждый миллиард кварков и антикварков у
1:20:10
вас был один лишний парк Вот такая небольшая симметрия Так выглядит сегодняшняя очень большая асимметрия
1:20:18
брёная асимметрия Вселенной так она выглядит на ранних этапах эволюции Вселенной Да и непонятно как это
1:20:26
симметрия возникла есть так называемые условия Сахарова это
1:20:33
условия при которых асимметрия может генерироваться эти условия это существование процессов с нарушением
1:20:39
числа существование процессов с нарушением а также должны эти процессы должны идти
1:20:49
существенном отклонении от термального равновесия если все три эти условия
1:20:55
будут выполнены то в принципе возможно генерация не нулевой барионной
1:21:00
асимметрии из нулевых начальных условий
1:21:07
асимметрии Вселенная поэтому
1:21:13
считается что вообще все вот эти три проблемы они
1:21:20
наблюдательные проблемы и они указывают непосредственным образом на существование физики за пределами стандартной модели Кроме того можно
1:21:27
задать вопросы к самой стандартной модели почему Например у нас только три типа взаимодействия если мы Забудем про
1:21:33
гравитационное у нас есть три типа взаимодействия так называемые калибровочные взаимодействия значит у
1:21:40
них есть три константы связи почему только три они больше или не меньше Почему столько три поколения
1:21:46
[музыка] С чем связано иерархия масса фермионов
1:21:55
первое поколение Но самое легкое следующее поколение потяжелее
1:22:01
только я переставил Да поколение Это столбики Вот это
1:22:08
поколение следующее поколение тут и третий столбик это третье поколение соответственно в
1:22:16
чем почему именно такая иерархия массфермионов как мы наблюдаем А вообще
1:22:22
Она довольно значительная до от самой легкой частицы массивной это Электрон стандартной
1:22:29
модели 511 килоэлектрон вольт до самой тяжелой частицы это топ-кварк 173
1:22:35
электронвольта у нас соответственно пять порядков величины
1:22:42
вот также я говорил уже что стандартной
1:22:48
модели есть еще один параметр Он входит вот такое
1:22:55
граждан взаимодействия этот взаимодействия не дает никакого вклада
1:23:01
диаграммы рассеяния диаграммы феймена потому что представляет себя полное
1:23:07
производное но он дает вклад вклад в различные
1:23:13
наблюдаемые например он генерирует электрический дипольный момент Нейтрона
1:23:18
и из-за того что из-за сильных ограничений на эту величину
1:23:24
экспериментальное ограничение на этот параметр
1:23:33
вот Поэтому возникает вопрос почему параметр который вы Априори могли бы
1:23:38
вставить в стандартную модель почему он такой маленький вот есть
1:23:45
проблемы такого характера Вот например есть
1:23:51
масштаб частиц стандартной модели порядка 100 гигаэлектрон Вольт
1:23:57
фактически совпадает с вакуумным средним вазоны Хиггса есть другой фундаментальный масштаб в физике это
1:24:06
масштаб связанный с масштабом гравитационных взаимодействий масса планка которая в энергетических единицах
1:24:12
порядка 10-19 гига электронвольт возникает вопрос почему почему такая
1:24:18
большая разница между масштабами взаимодействий стойких электронвольт и
1:24:24
гравитационные тут есть
1:24:31
проблемы во-первых Почему Гравитация так сильно отличается от остальных взаимодействий
1:24:37
есть техническая А может быть принципиальная проблема что квантовая
1:24:43
рекомендации еще до сих пор не построена а второй
1:24:48
второй Аспект этой проблемы заключается в том что если начать считать
1:24:54
квантовые поправки в частности квантовые поправки к массам к массе вазоны Хиггса
1:25:00
эти квантовые поправки даются теми же самыми диаграммками фейнмана как мы с вами обсуждали раньше и вот
1:25:07
здесь приведены примеры диаграмм феймена которые дают вклад в массу базонных X
1:25:12
значит это диаграмма с обменом топ-квартом пунктирными
1:25:18
линиями обозначены поле хикса соответственно
1:25:23
сплошной линии первой диаграмме обозначен тот Кларк волнистые линии
1:25:29
второй диаграмме обозначены векторные вазоны Ну а третий эта диаграмма связанная с
1:25:36
само действием что квантовая поправка к массе она
1:25:45
устроена таким образом что полная масса складывается из некоторые
1:25:53
затравочной массы которые стоит
1:25:59
это квантовая поправка ведет себя вот так квадратичным образом от того
1:26:06
масштаба До которого работает стандартная модель если предположить что стандартная модель работает до самых
1:26:13
больших энергий в частности до энергии порядка массы планка то вот эта
1:26:19
лямда должна быть порядка массы планка а Y консанта связи стандартной модели
1:26:25
соответственно представьте себе вам У вас есть масса вазона хикса которая 125 125 гига
1:26:32
электронвольт здесь стоит поправка имеет величину порядка
1:26:38
масса планка в квадрате умножить на число порядка единиц здесь стоит
1:26:44
величина порядка 10 в 38 гигаэлектрон и вы должны вот в этом выражении
1:26:52
у вас должно произойти сокращение между первым и вторым слагаемым таким образом чтобы 10 в 38
1:26:59
превратилась в 100 в квадрате 104 гига
1:27:04
электронвольт в квадрате то есть между вот этими вкладами должно произойти сокращение громадное сокращение на
1:27:11
34 примерно порядка величины это проблема Техническая проблема носит
1:27:20
название тонкой постройки параметров Вы должны так подобрать параметры стандартной модели параметр вашего
1:27:25
граждане чтобы сократить произошло такое большое сокращение между двумя исходно
1:27:32
не связанными друг с другом величинами параметром массовым параметром нестандартной модели и
1:27:38
параметром связанным с обрезанием той энергией до которой
1:27:45
работает стандартная модель вот им тут можно задать вопрос может
1:27:51
быть есть какой-то другой масштаб энергии ниже масштаба
1:27:57
масса планка До которого работает стандартная работает на самом деле нет
1:28:02
столь высоких масштабов 10-19
1:28:09
которая решает эту проблему вот можно также задать вопрос к еще одному
1:28:19
параметру а именно космологической постоянной это та самая постоянная которая отвечает за ускоренное
1:28:25
расширение расширение Вселенной Она измерена сегодня и ее значение составляет
1:28:35
величину естественное значение поскольку расширение у нас связано с гравитацией
1:28:41
естественно значение космологической постоянной порядка массы планка а измеренное значение технологической
1:28:47
постоянной составляет 10 банков в квадрате измеренное значение технологической
1:28:53
постоянной составляет 10 минут 122 от естественного значения для
1:28:59
космологической постоянной тем самым возникает еще одно неестественное соотношение которое тоже
1:29:07
требует своего такого объяснения одно из
1:29:12
объяснений Это тот же самый тонкая подстройка параметров Вот
1:29:18
но существует и другие аргументы так называемые трудные аргументы связанные с
1:29:24
тем Почему Что будет если мы возьмем мы поменяем
1:29:31
эти параметры другими словами Как изменится физика Если вы сдвинете Поменяйте значение
1:29:39
различных параметров в стандартной модели в частности вот что будет если мы
1:29:45
поменяем например значение массы вазона хикса или что то же самое
1:29:51
вакуумного среднего поля хикса оказывается что если вы сильно Измените это значение от
1:29:57
того значения которое имеет стандартной модели в частности Если вы увеличите его
1:30:03
больше чем в пять раз или уменьшить его слишком сильно то оказывается что в
1:30:10
таком мире не будет существовать никаких сложных ядер и стабильные частицы стабильным ядром
1:30:18
будет либо Протон либо Нейтрон либо изобара которая состоит из одинаковых
1:30:25
упор И в таком мире не будет никаких сложных атомов Ну и как следствие не
1:30:31
будет никаких условий для возникновения жизни в том смысле в котором
1:30:38
в том смысле что по жизни нам случае понимается
1:30:43
что-то сложное состоящее из атомов а также наличие условий для то есть
1:30:51
наличие планеты с температурой порядка энергии связи в этих атомах чтобы могли существовать проходить различные
1:30:57
переходы при этой этих температурах соответственно не так уж не такой уж
1:31:04
большое у вас запас параметров
1:31:09
такой что результатом будет видим результатом
1:31:14
будет мир как мы увидим То есть если вы сильно Измените параметры стандартной
1:31:20
модели то мир окружающий нас он будет качественно совершенно другой то же
1:31:25
самое можно сказать про параметры которые ответственны за которые связаны с массами а именно если вы сильно
1:31:32
Измените массы кварков или сильно Измените массу электрона то мир также поменяется буквально
1:31:39
как я писал значит легчайшие частицы будет не Протон например или у вас
1:31:46
тяжелые атомы будут нестабильны вот
1:31:52
Поэтому вот такие антропные аргументы они говорят о том что в той Вселенной
1:31:58
которую мы сейчас имеем параметры не могли быть с другими сильно другими Чем
1:32:04
мы сейчас наблюдаем вот
1:32:12
мне какое-то заключение сделать или сделать Да значит но существует довольно
1:32:18
большое количество моделей которые объясняют которые пытаются решить проблемы
1:32:24
стандартной модели как наблюдательные проблемы стандартной модели так и
1:32:31
теоретические проблемы которые мы сейчас обсудили это могут быть различные частицы различные модели с новыми
1:32:40
дополнительными Хиггса это могут быть модели с новыми частицами в частности
1:32:46
примером такой модели является модель суперсимметрии когда вы каждая частицы ставите каждой частицы стандартной
1:32:53
модели ставите соответствие частицу с другой статистикой и довольно большое количество
1:33:03
модели новой физики существуют и в настоящее время эксперименты
1:33:08
проверяют эти модели новой физики но пока никаких отклонений от стандартной модели
1:33:15
найдено не было за исключением тех проблем которые я озвучил связанных с физикой нейтрино с темной материи и
1:33:21
брёной асимметрия Вселенной никаких указаний на существование никаких непосредственных
1:33:26
указанием эксперименте на существование физики за пределами стандартной модели пока что найдено не было
1:33:33
но будем надеяться что следующий эксперимент позволят как бы это упущение
1:33:39
закрыть на этом наверное все
